【GD32F470紫藤派開發(fā)板使用手冊】第八講 ADC-規(guī)則組多通道采樣實(shí)驗(yàn)

8.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

通過本實(shí)驗(yàn)主要學(xué)習(xí)以下內(nèi)容：

• ADC的簡介
• GD32F470 ADC工作原理
• DMA原理
• 規(guī)則組多通道循環(huán)采樣

8.2實(shí)驗(yàn)原理

8.2.1ADC原理

我們知道，自然界中有非常多的模擬信號，比如光照強(qiáng)度，還有其他的例如溫度、聲音等等，那么人們是怎么來衡量一個模擬信號的呢？

我們通常會說今天光照度達(dá)到了3萬Lux（照度單位），現(xiàn)在測量到的體溫是36.5℃，我們所處的環(huán)境是40分貝，沒錯，人們就是通過將這些模擬信號數(shù)字化，從而達(dá)到衡量這些模擬信號的目的。那對于MCU來說，如果要測量一個模擬量，可以通過自帶的ADC（Analog-to-Digital converters）模塊，即模-數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)化為可以被MCU讀取到的數(shù)字量。

8.2.2GD32F470 ADC工作原理

GD32F470有3個12位逐次逼近型ADC（SAR ADC），這三個ADC可以獨(dú)立工作，也可以工作在同步模式下。有最多24個外部ADC引腳可用于將連接到這些引腳的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這些引腳號可以通過Datasheet獲得。

以下總結(jié)了GD32F470 ADC的特性：

• 高性能：

– ADC采樣分辨率：12位、10位、8位、或者6位分辨率；

– ADC采樣率：12位分辨率為2.6 MSPs，10位分辨率為3.0 MSPs。分辨率越低，轉(zhuǎn)換越快；

–自校準(zhǔn)時間：131個ADC時鐘周期；

–可編程采樣時間；

–數(shù)據(jù)存儲模式：最高有效位對齊和最低有效位對齊；

– DMA請求。

• 模擬輸入通道：

– 16個外部模擬輸入通道；

– 1個內(nèi)部溫度傳感通道(VSENSE)；

– 1個內(nèi)部參考電壓輸入通道(VREFINT)；

– 1個外部監(jiān)測電池VBAT供電引腳輸入通道。

• 轉(zhuǎn)換開始的發(fā)起：

–軟件觸發(fā)；

–硬件觸發(fā)。

• 運(yùn)行模式：

–轉(zhuǎn)換單個通道，或者掃描一序列的通道；

–單次運(yùn)行模式，每次觸發(fā)轉(zhuǎn)換一次選擇的輸入通道；

–連續(xù)運(yùn)行模式，連續(xù)轉(zhuǎn)換所選擇的輸入通道；

–間斷運(yùn)行模式；

–同步模式（適用于具有兩個或多個ADC的設(shè)備）。

• 轉(zhuǎn)換結(jié)果閾值監(jiān)測器功能： 模擬看門狗。
• 中斷產(chǎn)生：

–常規(guī)轉(zhuǎn)換結(jié)束；

–模擬看門狗事件；

–溢出事件。

• 過采樣：

– 16位的數(shù)據(jù)寄存器；
–可調(diào)整的過采樣率，從2x到256x；
–高達(dá)8位的可編程數(shù)據(jù)移位。

• ADC供電要求：
  – 2.4V到3.6V，一般供電電壓為3.3V。
• ADC輸入范圍：VREFN ≤VIN ≤VREFP 。

下面介紹下GD32F470的ADC框圖：

標(biāo)注1：輸入電壓和參考電壓

輸入電壓引腳定義如下表：

GD32F470的ADC是12bit有效位的，滿量程對應(yīng)的轉(zhuǎn)換值是4095，即當(dāng)采樣引腳上的電壓等于ADC參考電壓時，得到的轉(zhuǎn)換值即為4095。故理論采樣是指可通過以下公式得到：

標(biāo)注2：輸入通道

前面提到，ADC有最多16個外部模擬通道和3個內(nèi)部通道，外部通道號從IN0~IN15，由IO口號來決定，兩個內(nèi)部通道是IN16（溫度傳感器）和IN17（內(nèi)部Vrefint，典型值1.2V），下表給出了IO口號對應(yīng)的ADC通道：

標(biāo)注3：規(guī)則組

GD32F470的ADC轉(zhuǎn)換組稱為規(guī)則組，也叫常規(guī)序列。

規(guī)則組有兩個重要的參數(shù)，其一為轉(zhuǎn)換的個數(shù)，其二為轉(zhuǎn)換的序列，規(guī)定好這兩個參數(shù)后，一旦開始規(guī)則組的轉(zhuǎn)換，則ADC就按照轉(zhuǎn)換序列一個一個的進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換，直到達(dá)到要求的轉(zhuǎn)換個數(shù)。

規(guī)則組的轉(zhuǎn)換個數(shù)由ADC_RSQ0寄存器的RL[3:0]位規(guī)定，轉(zhuǎn)換的總數(shù)目為RL[3:0]+1，轉(zhuǎn)換總數(shù)目最大為16個；轉(zhuǎn)換序列由ADC_RSQ0~ADC_RSQ2共同決定，我們來看下這幾個寄存器。

ADC_RSQ0寄存器:

ADC_RSQ1寄存器:

ADC_RSQ2寄存器：

舉個例子，現(xiàn)需要按照CH3->CH2->CH1的順序進(jìn)行規(guī)則組轉(zhuǎn)換，則設(shè)定RL[3:0] = 2，然后設(shè)定RSQ0為CH3，RSQ1為CH2，RSQ2為CH1，則當(dāng)開始規(guī)則組轉(zhuǎn)換時，ADC首先進(jìn)行RSQ0規(guī)定的通道即CH3的轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行RSQ1規(guī)定的通道即CH2的轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)行RSQ2規(guī)定的通道即CH1轉(zhuǎn)換，當(dāng)這三個通道轉(zhuǎn)換完后，規(guī)則組轉(zhuǎn)換結(jié)束。

需要注意的是，每轉(zhuǎn)換一個規(guī)則組通道，轉(zhuǎn)換結(jié)果都會放在寄存器ADC_RDATA中，所以CPU一定要在下一個通道轉(zhuǎn)換完成前將上一個通道轉(zhuǎn)換結(jié)果讀走，否則會導(dǎo)致上一個通道數(shù)據(jù)被新的數(shù)據(jù)覆蓋。所以在多通道規(guī)則組轉(zhuǎn)換時，為了保證能讀到所有通道的數(shù)據(jù)，一定要使用DMA（直接存儲器訪問控制器），每個通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后，都會給DMA發(fā)送請求，DMA就會將最新的ADC_RDATA中的數(shù)據(jù)搬走。關(guān)于ADC配合DMA的使用，后面會詳細(xì)介紹。

標(biāo)注4：觸發(fā)源

ADC的規(guī)則組需要選特定的觸發(fā)源用于觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，注意，ADC的Enable（即ADC_CTL1寄存器的ADC_ON位置“1”）不會觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，而是當(dāng)選定的觸發(fā)源來臨后ADC才開始轉(zhuǎn)換。

觸發(fā)源分為內(nèi)部觸發(fā)和外部觸發(fā)，內(nèi)部觸發(fā)是指軟件觸發(fā)；外部觸發(fā)源是除了內(nèi)部觸發(fā)源以外的觸發(fā)源，外部觸發(fā)源可以通過ADC_CTL1寄存器查看：

ADC_CTL1寄存器：

標(biāo)注5：規(guī)則組數(shù)據(jù)寄存器

如標(biāo)注3規(guī)則組的表述，每個ADC的規(guī)則組只有一個數(shù)據(jù)寄存器ADC_RDATA，每轉(zhuǎn)換一個通道，轉(zhuǎn)換結(jié)果放在這個寄存器中，在下一通道轉(zhuǎn)換結(jié)束前必須要將上一個通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果取走。

標(biāo)注6：ADC中斷及標(biāo)志位

ADC的中斷總共有兩種：規(guī)則組轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷以及模擬看門狗，可以通過將ADC_CTL0中的EOCIE和WDEIE置“1”來開啟相應(yīng)中斷。

ADC_STAT寄存器中的EOC和WDE表示相應(yīng)事件發(fā)生，EOC置“1”表示規(guī)則組的轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束。

8.2.3DMA原理

本實(shí)驗(yàn)中ADC通道有兩個，分別為PF7和PF10，所以我們用規(guī)則組多通道采樣實(shí)現(xiàn)雙電壓讀取，從上一節(jié)內(nèi)容中可以知道，ADC規(guī)則組實(shí)現(xiàn)多通道轉(zhuǎn)換時，必須要用到DMA。下面我們介紹下DMA原理。

DMA（直接存儲器訪問控制器）是一個非常好用的外設(shè)，它提供了一種硬件的方式在外設(shè)和存儲器之間或者存儲器和存儲器之間傳輸數(shù)據(jù)，而無需CPU的介入，從而使CPU可以專注在處理其他系統(tǒng)功能上。GD32F470有兩個DMA，其中DMA0有8個通道，DMA1也有8個通道。

GD32F470支持DMA的單一傳輸和多數(shù)據(jù)傳輸模式。這里只講解單一傳輸。DMA實(shí)現(xiàn)很簡單，只要配置好以下幾要素即可。

1. 源地址和目標(biāo)地址：DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)搬運(yùn)過程為從源地址讀取到數(shù)據(jù)，再搬運(yùn)到目標(biāo)地址。本實(shí)驗(yàn)中，需要把ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果搬運(yùn)到自定義的buffer中，所以源地址就要設(shè)置為ADCx_RDATA寄存器地址，目標(biāo)地址為buffer地址。
2. 源和目標(biāo)的地址增量方式：地址增量方式有固定模式和增量模式兩種，固定模式是指進(jìn)行一次DMA搬運(yùn)后，下次搬運(yùn)的源地址或目標(biāo)地址保持不變；增量模式指進(jìn)行一次DMA搬運(yùn)后，下次搬運(yùn)的源地址或目標(biāo)地址會加1。本實(shí)驗(yàn)中，源地址始終都應(yīng)該為ADCx_RDATA地址，所以源地址增量方式需要設(shè)置為固定模式，而目標(biāo)地址為自定義buffer，我們需要用buffer[0]存儲x軸數(shù)據(jù)，buffer[1]存儲y軸數(shù)據(jù)，所以目標(biāo)地址增量方式需要設(shè)置為增量模式。
3. DMA傳輸方向：DMA傳輸方向有三種，分別為外設(shè)地址->存儲器地址、存儲器地址->外設(shè)地址以及存儲器->存儲器。本實(shí)驗(yàn)中源地址是外設(shè)地址，目標(biāo)地址為自定義buffer地址即存儲器地址，故傳輸方向需設(shè)置為外設(shè)地址->存儲器地址。
4. 源和目標(biāo)數(shù)據(jù)位寬：源和目標(biāo)數(shù)據(jù)位寬表示每次搬運(yùn)的數(shù)據(jù)長度，可以設(shè)置為8bit、16bit和32bit。本實(shí)驗(yàn)中ADC的數(shù)據(jù)只占用ADCx_RDATA寄存器的低半字即16bit，所以源和目標(biāo)位寬選擇16bit即可。
5. DMA傳輸個數(shù)和循環(huán)模式：傳輸個數(shù)表示一輪DMA傳輸可以搬運(yùn)的次數(shù)。循環(huán)模式表示當(dāng)一輪DMA傳輸結(jié)束后，是否直接進(jìn)行下一輪搬運(yùn)，當(dāng)開啟循環(huán)模式后，當(dāng)上一輪DMA傳輸結(jié)束后，源地址和目標(biāo)地址會恢復(fù)到最開始的狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)中，需要轉(zhuǎn)換2個通道ADC，故DMA傳輸個數(shù)設(shè)置為2，循環(huán)模式開啟。
6. DMA通道優(yōu)先級：DMA的每個通道都有一個軟件優(yōu)先級，當(dāng)DMA控制器在同一時間接收到多個外設(shè)請求時，仲裁器將根據(jù)外設(shè)請求的優(yōu)先級來決定響應(yīng)哪一個外設(shè)請求。優(yōu)先級包括軟件優(yōu)先級和硬件優(yōu)先級，優(yōu)先級規(guī)則如下：
   軟件優(yōu)先級：分為4級，低，中，高和極高?？梢酝ㄟ^寄存器DMA_CHxCTL的PRIO位域來配置。
   硬件優(yōu)先級：當(dāng)通道具有相同的軟件優(yōu)先級時，編號低的通道優(yōu)先級高。例：通道0和通道2配置為相同的軟件優(yōu)先級時，通道0的優(yōu)先級高于通道2。

上面描述了DMA配置的一些要素，那么DMA是如何被觸發(fā)的呢，我們來看下DMA請求映射表：

DMA0各通道請求表：

DMA1各通道請求表：

本實(shí)驗(yàn)中是ADC配合DMA來使用，如果使用DMA去搬運(yùn)ADC0的數(shù)據(jù)，從上表查詢得知需要使用DMA1的通道0，如果是搬運(yùn)ADC2的數(shù)據(jù)，也可以用到DMA1的通道0。如現(xiàn)在設(shè)置DMA1的通道0去搬運(yùn)ADC2的數(shù)據(jù)，當(dāng)ADC2每轉(zhuǎn)換一個通道，ADC2_RDATA會更新一次數(shù)據(jù)，此時ADC2會自動向DMA1的通道0發(fā)出一次搬運(yùn)請求，DMA收到請求后會進(jìn)行一次數(shù)據(jù)搬運(yùn)。DMA的請求和應(yīng)答方式見下圖：

8.3硬件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)是使用PF7和PF10來進(jìn)行電壓采集，讀者可以采用飛線方式外接電壓到這兩個引腳進(jìn)行測試。

8.4代碼解析

本實(shí)驗(yàn)用到兩個ADC2通道，使用ADC2規(guī)則組搭配DMA1通道0進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和搬運(yùn)，ADC2規(guī)則組和DMA1通道0都開啟循環(huán)模式，一旦開始ADC2規(guī)則組轉(zhuǎn)換，會持續(xù)PF7和PF10上的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)搬運(yùn)。

8.4.1DMA和ADC初始化

在driver_adc.c中定義driver_adc_regular_ch_dma_config函數(shù)，該函數(shù)實(shí)現(xiàn)DMA和ADC的初始化。

在driver_adc.h中聲明了ADC DMA的結(jié)構(gòu)體：

這段代碼比較簡單，請讀者按照前面介紹的DMA原理進(jìn)行解析。

8.4.2BSP_ADC設(shè)置所需要的參數(shù)及IO口結(jié)構(gòu)體定義

在bsp_adc.c中，對BSP_ADC設(shè)置所需要的參數(shù)及IO擴(kuò)結(jié)構(gòu)體數(shù)組進(jìn)行了定義：

8.4.3BSP_ ADC初始化和觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換的具體實(shí)現(xiàn)函數(shù)

在bsp_adc.c中定義了DMA和ADC初始化和觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換的函數(shù)：

8.4.4main函數(shù)實(shí)現(xiàn)

本例程main函數(shù)首先進(jìn)行了延時函數(shù)初始化，為了演示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這里初始化了BOARD_UART串口，關(guān)于串口的使用，請讀者參考串口章節(jié)，然后是BSP_ADC配置。在主循環(huán)中，每100ms打印一次PF7和PF10的ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

8.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如上main函數(shù)實(shí)現(xiàn)說明。

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